窄环空中钻柱高速旋转对小井眼环空压降的影响

当一种流材在小井眼的窄球空中流动时环空的几何尺寸、偏心距及钻柱旋转速度的变化对流体压除影响很大．因此在小井眼中精确地计算和控制压降非常困难，钻井工业常用的原有的模型已不能精确地模拟高速旋转的小井眼窄环空的情况，所以需建立一个新的模型，以使精确地计算窄环倾空压降，达到安全控制地层压力和保护井筒完整性的目的。     

偏心环空循环压耗的数值模拟与验证

在水平井和复杂结构井中,井斜角和方位角随井深不断变化,套管在井内不易居中,影响流体在环空中的流动状态和循环摩阻。现有的偏心摩阻压耗计算模型是基于特定井眼尺寸和流体性能条件下建立的,不具备普适性。为此,结合某水平井井眼尺寸和流体性能,基于计算流体力学(CFD)的仿真理论与方法,分析了不同套管偏心度和直径比对环空流态与摩阻压耗的影响,对比了套管居中和套管偏心工况下环空摩阻压耗与当量循环密度(ECD)分布特征。结果表明：随着偏心度增大,宽间隙中心流速增大,壁面低流速域增多,增加了流体滞留量;直径比越小,有助于提高窄间隙流速;环空间隙越小,套管偏心对摩阻压耗影响越大。实例井偏心环空摩阻压降比同心环空低2.16 MPa;文章建立的摩阻压降计算模型比现有经典模型误差更小,为偏心环空下摩阻压降的准确计算提供了可靠的计算方法。     

大斜度井偏心环空钻柱旋转对岩屑运移的影响

在钻井过程中,当液流速度小于岩屑悬浮运移速度时,岩屑容易在大斜度井段沉降并形成岩屑床,导致钻柱卡钻、高摩阻和扭矩、低机械钻速等问题。建立大斜度偏心环空三维物理模型,采用结构网格划分环空流体域,用滑移网格模拟钻柱旋转。基于欧拉固液两相流模型和Realizable k-ε紊流模型,考虑钻井液对岩屑的举升力、岩屑加速产生的虚质量力以及固液间的动量交换,模拟了钻柱旋转条件下井斜角、岩屑注入浓度、钻井液速度和黏度对岩屑运移的影响。研究表明：钻柱旋转使得岩屑床床面沿旋转方向倾斜,沿井眼呈不对称分布状态,并能够显著减小环空岩屑浓度,其变化幅度受钻井液入口流速、井斜角、钻井液黏度和岩屑注入浓度的影响,但当转速达到某一临界值后,旋转作用效果将减弱。研究结果可为采取合理措施提高岩屑运移效率提供参考。     

钻柱摩阻扭矩分析模型研究

建立接近客观真实的摩阻扭矩分析模型是准确预测钻柱摩阻/扭矩的基础。据文献调查,现有的钻柱摩阻扭矩分析模型忽略了钻柱旋转过程中产生的附加平衡约束力。本文考虑到这一点,对井筒内钻柱的旋转条件进行了分析,建立了钻柱摩阻扭矩分析新模型,并给出了平衡约束力的计算公式。结合接触力公式、摩阻扭矩计算公式和轴向力计算公式求出该单元长度的钻柱的摩阻扭矩,从而更贴近真实情况。     

偏心环空层流螺旋流与同心环空层流螺旋流压降的比较

推导了幂律液体偏心环形空问堪流螺旋流的压降方程.介绍了由降方程计算幂律液体偏心环空间层流螺旋流的压降的方法并把由压降方程算得的偏心环空螺旋流的理论压降和同心螺旋的理论压降进行比较.     

偏心效应对赫巴流体环空流动特性的影响

根据流体力学理论,以连续性方程和N-S方程为控制方程,利用计算流体力学理论对不同偏心度的赫巴流体环空流动进行系统的数值模拟,得到了偏心度的变化对于流场特性及摩阻压耗特性的影响规律,发现随偏心度不断增大,环空宽间隙处的流速剖面先不断增大,在达到临界最大流速剖面后又逐渐减小,其中先不断增大的规律依据已有研究且得到证实;运用涡黏理论对井壁、钻柱外壁及流体内部的应力-应变关系进行分析,揭示了达到临界流速剖面前、后流场内部不同的力学状态,以及随偏心度增大摩阻减小趋势不同的原因。最后回归出赫巴流体环空流动压耗随偏心度、流速及流体密度变化的理论预测模型。     

幂律流体偏心环空流场的CFD模拟

在流体计算软件PHOENIcS的VR编辑环境中,在三维直角坐标系下建立了偏心环空流动的物理模型,采用正交网格和湍流模型及壁面函数法,对幂律流体的偏心环空流动进行数值计算,分析了幂律流体下流性指数和偏心度对偏心环空流场中速度、压力分布的影响.结果表明,正交网格和湍流模型及壁面函数法可以很好地反映出偏心环空流动的基本特征,为石油生产中常见的偏心环空流问题的研究提供了理论依据.     

流速和环空偏心对泡沫携砂能力的影响数值模拟

泡沫流体广泛应用于油井的冲砂洗井作业中,携砂能力是衡量其性能的一项重要指标。利用FLUENT软件中的分散相模型对泡沫流体的携砂能力进行了数值模拟,得到不同直径的砂粒在同心环空和偏心环空中的携砂率,研究了泡沫流速和环空偏心对泡沫携砂能力的影响,并得出水平井泡沫流体冲砂洗井的安全携砂条件。从计算结果可看出,不同直径的砂粒在泡沫流体中的携砂率随环空倾角有不同的变化关系,携砂率随泡沫流速的增大而提高,环空偏心使得泡沫流体的携砂率降低,而且对接近水平段的影响尤为突出,对接近竖直段的影响较小。     

基于赫巴流体的偏心环空波动压力数值模拟

基于牛顿流体、幂律流体以及卡森流体建立的偏心环空稳态波动压力预测模型计算过程对计算机的硬件要求较高,在现场条件下并不适用。为此,基于钻井液赫巴流变模式,利用Fluent软件对起下钻波动压力进行了计算,并将计算结果与现场广泛应用的压力模型及室内试验数据进行了对比验证。建模时采用一阶迎风格式对动量方程的对流项进行离散,壁面设为非滑移壁面。分析结果表明,数值模拟结果与现存的同心环空计算模型及同心、偏心室内试验结果具有很高的一致性,最大误差不超过8%;流动指数、钻柱井筒直径比以及钻柱偏心度对波动压力影响较大,在窄间隙工况或具有高流动指数流体的情况下应严格控制起下钻速度。     

宾汉流体偏心环状管流的数值模拟

在调研了大量关于宾汉流体偏心环状管流的文献之后，发现大都是近似计算而不具有普适性。根据流体力学中N—S方程对层流的描述，再结合力学理论，对其流动界面提出严密而科学的界面耦合条件，得到了完整描述其流动的适定的偏微分方程组，通过计算机数值模拟，得到了它的流动规律，具有工程应用价值。     

钻井管柱振动信号系统仿真研究

为了了解管柱内部信号传递的过程与规律以及各种信号的组成,通过建立信号传递过程模型,基于Windows平台,利用Delphi开发工具开发了管柱振动系统仿真软件,对管柱振动信号进行了仿真分析,提出了开展管柱振动信号测试分析的步骤和方法,同时利用室内管柱振动试验对该方法的有效性进行了验证。分析结果表明,管柱振动信号波形大体上分为结构类信号和传递类信号,结构类信号在时域上往往在特定的时刻出现,传递类信号往往随测量系统的变化而相应变化;在管柱物理参数不变的情况下,可以利用结构类信号来确定管柱的几何结构以及撞击信号的源特征;通过分析传递类信号的变化规律可以获得管柱长度、敲(撞)击位置、传播速度、透射系数及反射系数等各种有用信息。研究结果为新的管柱振动信号解释方法的创立创造了一定条件,也为井下管柱的故障诊断、定位,管柱系统特性参数的确定以及信号分析提供了依据。     

偏心环空中幂率流体层流流动特性数值模拟研究

Herschel-Bulkley模型（即屈服幂率模型）可用于研究非牛顿流体的流动特性,并能在大范围剪切速率条件下得到准确的预测结果。为此,采用有限体积方法（FVM）,研究了内部管柱旋转及流变参数（屈服应力τ₀、稠度系数K和流性指数n）对偏心环空（E=0.5）中Herschel-Bulkley流体层流区域的轴向、切向速度剖面与压降梯度的影响。研究结果表明,内部管柱转速从100 r/min增加至400 r/min时,会引起最大轴向速度增加,增幅为120%;较低的流性指数（n=0.2）会引起偏心环空宽区域出现二次流;内部管柱转速及流变参数的变化对偏心环空宽区域切向速度剖面有不良影响;内部管柱转速从0增加至400 r/min时,会引起不同偏心环空（E=0.2, 0.4, 0.6和0.8）内幂率流体压降梯度降低,降低幅度为10%。      

水平井中偏心钻杆摩擦压力损失试验研究

流体在钻杆内及在环空中的循环流动过程中会发生水力摩擦。为了探讨水平井中偏心钻杆的摩擦压力损失,通过分析旋转钻杆、轴向流体流动和移动岩屑床对压力损失的影响,研究了近水平环空中的界面摩擦,建立了钻杆偏心率和水力摩擦因数随转速和流速变化的经验关系式。单相液流数据分析表明:压力损失随转速的增加而增大,钻杆旋转产生的二次流不是影响压力损失的唯一原因,钻杆的偏心率随钻速和流速的变化对压力损失也有相当大的影响;钻杆的偏心率越大,摩擦因数越小;存在颗粒(岩屑)时,摩擦因数随转速的增加而减小。研究结果可给我国的钻井工作者提供借鉴,可在一定程度上推动我国钻井水力学分析技术的发展。     

基于升沉预测的钻柱补偿装置仿真研究

为减小大洋钻探过程中井底钻压波动,提高钻柱补偿装置的补偿精度,开展了基于非水动力学船舶升沉预测方法的仿真研究.首先以船舶姿态传感器的升沉位移信号为输入,建立基于卡尔曼滤波的升沉预测模型,然后利用AMESim平台搭建450T死绳端钻柱补偿装置仿真模型,通过仿真的形式实现波浪信号的采集、处理和预测,再对引入升沉预测前、后的...     

连续油管屈曲对环空摩擦压力损失的影响

针对带有非旋转屈曲内管柱的水平井,采用6种非牛顿流体,研究了连续油管管柱在3种流态区（层流区、过渡区和湍流区）和不同屈曲模式（正弦、过渡和螺旋）下对环空摩擦压力损失的影响,以及压力损失与流体流变性能（即屈服应力、粘稠指数和流动行为指数）之间的关系。结果表明,随着轴向压缩载荷的增加,摩擦压力损失显著降低。当使用具有更高屈服应力和更高剪切稀释能力的流体时,该效应更明显。此外,通过比较非压缩管柱和压缩管柱可以看出,随着轴向压缩载荷的增加,摩擦压力损失进一步减少。然而,对于低屈服应力、低粘稠指数、高流动性的流体,压缩管柱的影响则并不明显。     

声波钻杆信道及信息传输仿真研究

为利用声波沿钻杆有效地随钻传输钻井数据,提出应用声波无缝传输模型将任意井下钻具组合(BHA)分解为单个声波无缝传输模型(RATO)的级联。建立了BHA中每个钻具的RATO,分别设计FIR滤波器模拟该模型,根据对信道通带位置最佳逼近原则应用相位均方误差最小准则获得最佳FIR长度;将子双口网络参数连乘得到模拟的多钻具级联构成的BHA的系统函数;应用有加工误差为±4%的5in同规格钻杆随机级联为例仿真声波钻柱信道验证了FIR滤波器的方法的正确性和可行性;在该信道上采用2FSK调制解调方式进行信息传输仿真,信号载频位于信道子通带内,约2 500m信道、传输波特率为20bit/s时误码率小于3%。可以应用FIR滤波器仿真声波钻柱信道进行信息传输研究,为随钻声波传输仪器的研制提供测试平台和技术支持。     

液固两相同心环空流动数值模拟

应用液-固两相流理论,利用PHOENICS软件的IPSA解法对环形空间中液-固两相流动的特性进行了数值模拟计算,并用ORIGIN软件对计算数据作了进一步处理,分析了同心环空中液-固两相流紊流的轴向速度分布、固相颗粒沿径向的浓度分布、颗粒直径对滑落速度的影响、固相浓度对滑落速度的影响,得出了一系列关于液-固两相环空流动的规律。